第4章 铁碳合金相图与碳钢
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第4章 铁碳合金相图与碳钢
1227
(I)
亚共析钢
过共析钢
工业纯铁
共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
0.02% 0.40% 0.77% 1.2%
2.11%
3.0% 4.3%
5.0%
1227
(I)
0.01%
1227
(I)
(1)工业纯铁（C＝0.01%）： L→L+δ →δ →δ +A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ
WF= （6.69-0.01） /6.69=99.85%
L+Fe3C
6.69
莱氏体( Ld)-奥氏体和渗碳体混合物 珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片 状混合物
区的意义：
1495
（1）单相区：L、δ 、A、F；
（2）两相区：L+δ 、L+A、
L+Fe3CⅠ、δ +A、A+F、A+Fe3C F+Fe3C （3）三相共存点：
J点：(L+δ +A)
C点：（L+A+ Fe3C）； S点：（A+F+ Fe3C）；
4.3%
1227
(I)
共晶白口铁（C＝4.3%） L→Ld→Ld′
相组成：WF=(6.69-4.3)/6.69 =35.7% 组织组成：Ld’=100%
5.0%
1227
(I)
过共晶白口铁（C＝5.0%）：
L→L+ Fe3CⅠ→Ld+ Fe3CⅠ→Ld′+ Fe3CⅠ
相组成：WF=(6.695.0)/6.69=25.3% 组织组成 WLd’=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7% WFe3CI=29.3%
第4章 铁碳合金相图
F
Ld A+ S Ld+ Fe3CⅠ A+F K Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld F P 727 P F+ Fe3C Ld P+ Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d L′d+ Fe3CⅠ Fe3C Fe F+ Fe C C%
3 Ⅲ
PSK线-共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体。
1.工业纯铁： • wC ≤ 0.0218 %，室温组织为铁素体。 2.钢 • 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 %，高温固态组织为塑性很好 的奥氏体，适于热压成形。
Fe3C——渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%
第四章 铁碳合金相图
一、上半部分图形
912˚C 以上的部分，由液态变
为固态的第一次结晶。 组元：γ-Fe与Fe3C 1、图中各点分析 A点：纯铁的熔点 D点：渗碳体的熔点 E点：在1148˚C 时碳在
γ-Fe中最大溶解度（2.11%）
A G F A+F P
H J
L+ B L+A
L D C
E A+ Fe3C
A+ S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld P Ld
L+ Fe3C
F
Ld+ Fe3CⅠ Ld L′d+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
Fe
P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d
F+ Fe3C
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
三、 Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
铁碳合金相图和碳钢
Fe-Fe3C•相共图晶的转区变域，中即，从根液据相特中点同和时线结的晶分出析奥，氏Fe体-Fe和3C渗相碳图有 四个单相体区组，成即的：机械混合物（共晶体），称为莱氏体（ ACD以上—Ld—）液。相其区反（应L式）为；AESG——奥氏体区（A）；GPQ—
—铁素体区（F）；DFK——LC渗碳A体E+区F。e3C
铁碳合金相图和碳钢
碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有如下几种：
பைடு நூலகம்
1. 按钢中碳的质量 分数分类
（1）低碳钢
wC≤0.25 % （2）中碳钢
0.25 %<wC≤0.60 % （3）高碳钢
wC≥0.60 %
2. 按钢的冶金性质分类 根据钢中有害杂质硫、磷
含量多少可分为： （1）普通质量钢 wS≤0.050%，wP≤0.045 %
•••S温 素 珠σ=Α硬 表点b2k下体光=AE铬于C合=度40为点7点点.3%2（和体镍钢金5：0为共为0～为为～7渗（钢，在～1F析2在2共纯847碳Pew和恒9500-点℃）10%晶铁～JFC体1铁温0>e。）。4M点2的233片的下8C.81.具将P其A℃。熔0相F1层a分（HSe%有发反时具点图-B相1界的FS生应S1e碳有。中间点点34铁C共式在8CD的的成相，℃F碳点点析为P主-机分图w）F合成+为转e要CF械（的中将金分<渗e变2特混w区的发3属（.碳1，CC性1合域=最生于w体%即0点C物大。生的.=的7奥4及7（溶铁铁.熔%氏3其共%解。碳）点体）含析度合的。同的义体，金奥时液。）也属氏生态，是体成称在铁为恒
亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁
亚共晶白口铸 铁
过共晶白口铸 铁
铁碳合金相图和碳钢
典型铁碳合金的结晶过程分析 1.2共.亚析共钢析钢 •图•图4.48.中8中合合金金I为Ⅱ共为析亚钢共，析共钢结，晶其过结程晶如过图程4如.9所图示4.1。1所示。
—铁素体区（F）；DFK——LC渗碳A体E+区F。e3C
铁碳合金相图和碳钢
碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有如下几种：
பைடு நூலகம்
1. 按钢中碳的质量 分数分类
（1）低碳钢
wC≤0.25 % （2）中碳钢
0.25 %<wC≤0.60 % （3）高碳钢
wC≥0.60 %
2. 按钢的冶金性质分类 根据钢中有害杂质硫、磷
含量多少可分为： （1）普通质量钢 wS≤0.050%，wP≤0.045 %
•••S温 素 珠σ=Α硬 表点b2k下体光=AE铬于C合=度40为点7点点.3%2（和体镍钢金5：0为共为0～为为～7渗（钢，在～1F析2在2共纯847碳Pew和恒9500-点℃）10%晶铁～JFC体1铁温0>e。）。4M点2的233片的下8C.81.具将P其A℃。熔0相F1层a分（HSe%有发反时具点图-B相1界的FS生应S1e碳有。中间点点34铁C共式在8CD的的成相，℃F碳点点析为P主-机分图w）F合成+为转e要CF械（的中将金分<渗e变2特混w区的发3属（.碳1，CC性1合域=最生于w体%即0点C物大。生的.=的7奥4及7（溶铁铁.熔%氏3其共%解。碳）点体）含析度合的。同的义体，金奥时液。）也属氏生态，是体成称在铁为恒
亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁
亚共晶白口铸 铁
过共晶白口铸 铁
铁碳合金相图和碳钢
典型铁碳合金的结晶过程分析 1.2共.亚析共钢析钢 •图•图4.48.中8中合合金金I为Ⅱ共为析亚钢共，析共钢结，晶其过结程晶如过图程4如.9所图示4.1。1所示。
铁碳合金相图与碳钢
第4章铁碳合金相图与碳钢以铁碳合金为基础的碳钢、铸铁是应用最为广泛的金属材料。
通过铁碳合金相图可以确定碳钢、铸铁的熔炼、铸造、锻造和热处理工艺参数。
4.1 铁碳合金相图铁和碳的合金称为铁碳合金。
在二元合金中铁碳合金应用最为广泛。
根据碳的质量分数不同，可分为碳钢和铸铁两大类。
碳钢是指碳的质量分数为0.02%~2.11%的铁碳合金；铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金；铁碳合金相图是研究铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工艺都有重要指导作用。
铁碳合金相图诞生已一百多年，经过越来越精确的测定，形成了目前通用的图样。
铁碳合金相图较复杂，由多种基本类型相图组成，本节介绍铁碳合金相图中具有实用价值部分的Fe—Fe3C相图。
4.1.1.铁碳合金的基本相及组织铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。
(1)铁素体碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“F”或“α”表示。
铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727℃时，为0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐减小，室温时铁素体中只能溶解0.0008%的碳。
铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极相近，塑性、韧性很好，强度、硬度很低。
(2)奥氏体碳溶解在γ-Fe形成的间隙固溶体，以符号“A”或“γ”表示。
奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在1148℃时，碳在γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，随着温度降低，其溶解度也减小，在727℃时，为0.77%。
奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高，易于塑性变形。
在铁碳合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所要求的组织。
（3）渗碳体渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子。
渗碳体一般以“Fe3C”表示，其含碳量为6.69%。
渗碳体的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎等于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。
4 铁碳合金的相图的详细讲解
P,钢的性能即P的性能
b. ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。 c. ＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld,合金太脆.
45
3 含碳量对工艺性能的影响
(1) 切削性能: 中碳钢合适 (2) 可锻性能: 低碳钢好 (3) 焊接性能: 低碳钢好 (4) 铸造性能: 共晶合金好
二次渗碳体
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
铁素体 珠光体 莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
0
44
2 含碳量对力学性能的影响
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升
高，塑性、韧性下降。
a. 0.77%C时，组织为100%
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
L'd
Fe3CⅠ+L'd
F+Fe3CⅢ
Fe
1.0
2.0
3.0
Fe3C 4.0
wc(%)
5.0
6.0
6.69
17
(一)铁碳合金相图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、PSK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析 转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
L+δ
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
F+ Fe3C
工程材料与机械制造基础 第四章 铁碳合金相图及碳素钢
织为单相A （γ）
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
(0.77~2.11%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图
室温下两相的相对重量百分比：
1 2
3 4
3
在2点, 共晶
(A)发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的共晶
体称低温莱氏体, 用
Le’表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。
S
§4-3 铁碳合金的结构和相图
共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。
室温下两相的 相对重量百分 比为：
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
5、共晶白口鉄的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 (A)
与共晶Fe3C的机械混合物, 呈鱼骨状。
Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
（wC%＝2.11%～4.3%）
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
第4章 铁碳合金相图和碳钢
珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。S点以下，共析 中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C
结合不易分辨。室温组织
为P。
珠光体
2、共析钢的结晶过程
室温下，珠光体中两相的 相对质量百分比是多少？
1 2
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008 Q Fe 3C 100% 88.5% 11.5%
石墨（G）： Fe-─C合金中游离存在的碳； 石墨的强度、塑性、硬度都很低。 由于碳在-Fe中的溶解度很 小，因而常温下碳在铁碳合金 中主要以Fe3C或石墨的形式存 在。
钢中的渗碳体
渗碳体组织金相图
铸铁中的石墨
4、珠光体（P）
1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固 相的机械混合物（共析体）。
三、典型成分铁碳合金的结晶过程
（一）铁碳合金的分类（P46） 1、工业纯铁 Wc≤0.0218% 2、碳素钢 0.0218%＜ Wc≤2.11%
1）共析钢 Wc=0.77% 2）亚共析钢 0.0218%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11%
3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69%
第四章 铁碳合金相图和碳钢 (P42)
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结构 及其性能
第二节 铁碳合金相图
第三节 碳钢
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结 构及其性能（P42）
一、纯铁及其同素异构转变
同素异构转变：物质在固态下，晶 体结构随温度变化的现象。 同素异构转变属于相变之一—固态 相变。 1、铁的同素异构转变： 铁在固态冷却过程中有两次晶体 结构变化，其变化为：
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的 溶碳能力很低,在727℃时最大为 0.0218%，室温下仅为0.0008%。
结合不易分辨。室温组织
为P。
珠光体
2、共析钢的结晶过程
室温下，珠光体中两相的 相对质量百分比是多少？
1 2
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008 Q Fe 3C 100% 88.5% 11.5%
石墨（G）： Fe-─C合金中游离存在的碳； 石墨的强度、塑性、硬度都很低。 由于碳在-Fe中的溶解度很 小，因而常温下碳在铁碳合金 中主要以Fe3C或石墨的形式存 在。
钢中的渗碳体
渗碳体组织金相图
铸铁中的石墨
4、珠光体（P）
1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固 相的机械混合物（共析体）。
三、典型成分铁碳合金的结晶过程
（一）铁碳合金的分类（P46） 1、工业纯铁 Wc≤0.0218% 2、碳素钢 0.0218%＜ Wc≤2.11%
1）共析钢 Wc=0.77% 2）亚共析钢 0.0218%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11%
3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69%
第四章 铁碳合金相图和碳钢 (P42)
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结构 及其性能
第二节 铁碳合金相图
第三节 碳钢
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结 构及其性能（P42）
一、纯铁及其同素异构转变
同素异构转变：物质在固态下，晶 体结构随温度变化的现象。 同素异构转变属于相变之一—固态 相变。 1、铁的同素异构转变： 铁在固态冷却过程中有两次晶体 结构变化，其变化为：
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的 溶碳能力很低,在727℃时最大为 0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁碳相图
第四章 铁碳合金相图碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。
在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。
在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe 3C （渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase ），而石墨是稳定的相。
在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe 3C 系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe 3C 相图。
4-1 铁碳合金的组元一、纯铁纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。
纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。
金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation ）。
同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。
铁的同素异晶转变如下：（体心立方）（面心立方）（体心立方）Fe Fe Fe CC O O −⇔−⇔−αγδ9121394 温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe ；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe 。
工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：时间温度（℃）图7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化拉伸强度σb18×107~28×107N/m2屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/m2延伸率δ 30~50%断面收缩率ψ70~80%冲击值160~200J/cm2布氏硬度HB 50~80二、碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。
碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。
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0 4.3 6.69 2.11
6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.0008
纯铁熔点 共晶点LC ⇄ gE+ Fe3C 渗碳体的熔点 碳在g-Fe中的最大溶解度点
渗碳体 g-Fe ⇄ a-Fe同素异构转变点 渗碳体 碳在a-Fe中的最大溶解度点 共析点gS ⇄ aP+ Fe3C 室温下碳在a-Fe中的溶解度点
室温平衡组织为 P+ Fe3CII+ Le'
4.2
铁碳合金相图及其分析
过共晶白口铸铁的结晶过程
碳质量分数为5%为例
1~2点间从液相中析出粗条状Fe3CⅠ。 到2点，余下的液相成分变到C点 并转变为Le。 2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再 发生变化, Le变化同共晶合金
室温平衡组织为 Fe3CI+ Le'
4.2
特征点
铁碳合金相图及其分析
3个基本相图
5个基本相
5个单相区
7个两相区
⇄
⇄ ⇄
⇄
2013-9-11
⇄
4.2
特征点
点的符 号
铁碳合金相图及其分析
2个基本相图
含碳量/%
3个单相区
说 明
4个基本相
5个两相区
温度/℃
A C D E
F G K P S Q
1538 1148 1227 1148
1148 912 727 727 727 室温
5. 碳钢的分类，编号和用途。
第4章 铁碳合金相图与碳钢
【本章难点】 铁碳合金平衡结晶过程分析、杠杆定律的计算、含碳 量对铁碳合金性能的影响、碳钢的牌号与应用。
【基本要求】
1.熟练掌握铁碳合金中的相结构与性能； 2.熟练掌握铁碳合金状态图并利用状态图对典型合金的 结晶过程进行分析；会用杠杆定律计算铁碳合金中相组 成物与组织组成物的相对量； 3.掌握碳钢的牌号及用途；
铁碳合金的基本相及特征
纯铁及铁基固溶体
奥氏体：是碳固溶在 - Fe中的间隙固
溶体，用A或 表示。面心立方晶格，塑 性好，强度低（比铁素体高）。
铁素体组织（晶界平滑）
奥氏体组织（晶界元、基本相和组织
渗碳体：是铁碳的间隙化合物。含碳量6.69%，用
钢中的渗碳体
铁碳合金中的片状Fe3C
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
铁碳合金的基本组织组成物
①δ（高温铁素体）； ② F（铁素体）； ③ A（奥氏体）； ④ Fe3C(渗碳体)； ⑤ P(珠光体)； ⑥ Ld（莱氏体）。 而δ（高温铁素体）在高温下才存在。
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
纯铁及铁基固溶体
铁素体：是碳固溶在α- Fe中的间隙固溶体，
用F 或 表示。体心立方晶格，塑韧性好，强 度硬度低。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ铁素体，高温铁素体，
用δ表示。
纯铁的同素异构转变
铁素体组织（晶界平滑） 奥氏体组织（晶界平直）
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
组元：Fe、 Fe3C
机械工程材料
主讲：胡耀华
2013年9月11日
机械工程材料
课程内容： 绪 论 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章
材料的性能 材料的结构 材料的凝固 铁碳合金相图与碳钢 金属的塑性变形与再结晶 钢的热处理 工业用钢 铸铁 有色金属及其合金 零部件的失效与选材
莱氏体
4.2
铁碳合金相图及其分析
PSK：共析线（A1线），温度727℃，含碳量（0.0218-6.69） 共析转变：S ⇄FP+ Fe3，产物为 与Fe3C的机械混合物，称作 珠光体，用P表示。两相呈层片状交替分布，性能介于两相之间。
珠光体
4.2
铁碳合金相图及其分析
6条固态转变线
⑶ 其它相线
磷溶于铁素体中强烈地降低了钢的塑性、韧性， 尤其是低温韧性， 并使冷 脆转化温度升高；过多的磷也会生成 Fe3P化合物，在晶界 上偏析而增加脆性——冷脆。 硫、磷一般是有害元素，需严格控制其含量。 wS＜ 0.05%； wP ＜ 0.045%
铸铁：含碳量为 2.11%~ 6.69%
铁碳合金相图是研究铁碳合金的最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、 温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和 铸造等工艺的依据。 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为 纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时， 合金太脆，已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是 Fe- Fe3C相图
4.2
铁碳合金相图及其分析
4.2
铁碳合金相图及其分析
工业纯铁的结晶过程
碳质量分数0.01%为例
1点以上 液相L 1～2点 L+δ 2～ 3点 δ 3～4点 δ+A 4～ 5点 A 5～6点 A+F 6～ 7点 F 7～8点 F晶界析出Fe3CІІІ
室温平衡组织为 F+ Fe3CIII
4.2
铁碳合金相图及其分析
共析钢的结晶过程
碳质量分数0.77% 1～ 2点 2～ 3点 3～3'点 3'～4点 L+A A A→P P
珠光体
室温平衡组织为 P（ F+ Fe3C）
4.2
铁碳合金相图及其分析
亚共析钢的结晶过程
碳质量分数0.4%为例
1～2点 L+δ。 2～2'点 L+δ→A 反应结束还有L 2'～3点 L+A 3～ 4 点 A 4～5点 A+F 5～5'点 A→P F不变化 5'～6点 P+F
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
纯铁的结构及同素异构转变
纯铁的结构 在很缓慢的冷却条件下
同素异构转变 物质在固态下其晶格类型会随温度变 化而发生变化。 包括形核和长大两个过程，是固态相变。
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
又称二次结晶或重结晶
锡疫
固态相变
在固态下物质有一种相转变为另一种相的过程。 同素异构转变和二次相析出均为固态相变
Fe3C 或 Cm 表示。结构复杂，硬度极高，脆性极大，塑 性几乎为零。 渗碳体在一定条件下发生分解： Fe3C→3Fe + C (石墨)。 常温下，碳以渗碳体和石墨的形式存在。 其含碳量为6.69%，Fe3CI为板状，Fe3CII为网状， 铸铁中的石墨 Fe3CIII为片状，Fe3C共析为层状，Fe3C共晶为基体。
4.2
特征线
铁碳合金相图及其分析
⑴ 液相线—ABCD，固相线—AHJECF ⑵ 三条水平线： HJB：包晶线，温度1495℃， 含碳量（0.09-0.53） 包晶转变：LB+δH⇄ J ， 产物为奥氏体。
ECF：共晶线，温度1148℃， 含碳量（2.11-6.69） 共晶转变：LC⇄ E+Fe3C 产物为 与Fe3C的机械混合 物，称作莱氏体, 用Le表示。 呈蜂窝状, 以Fe3C为基，性 能硬而脆。
包括形核和长大两个过程
形核一般在某些特定部位发生
（晶界、晶内缺陷、特定晶面等）
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
固态相变的晶界形核
固态下扩散困难，因此固态
转变的过冷倾向大
固态转变常伴随着体积变化，
易产生很大内应力
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
组元：Fe、 Fe3C
铁碳合金的基本相及特征
钢中常存的杂质元素有：Si、Mn、S、P、H、N、O
4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
1. Si和Mn的影响
好处： 硅、锰均可溶于铁素体，使钢的强度、硬度升高——固溶强化； 锰易与硫生成MnS，可降低硫的有害作用(热脆)。硅、锰都可作为脱氧 剂并提高淬透性。 坏处： 硅可显著降低钢的塑性、韧性；硅易与氧生成脆性夹杂物SiO2；MnS量过多 也会恶化钢的性能。
Si、Mn量一般控制在：wSi ＜ 0.5%；wMn ＜ 0.8% （有益元素）。
4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
2. S和P的影响
好处：
适量的磷溶于铁素体，明显提高强度、硬度，提高切削加工性 害处： 硫的存在导致钢在热加工时产生脆性开裂 —— 热脆，使钢的疲劳强 度和韧性下降，S含量越高，热脆现象越严重。
室温平衡组织为 P + F
4.2
铁碳合金相图及其分析
过共析钢的结晶过程
碳质量分数1.2%为例
1～2点 L+A 2～ 3点 A 3～4点 A→Fe3CII, Fe3CII呈网状分布 在A晶界上。 4～ 4'点 A→P ， Fe3CII不变化。 4'～5点 P+Fe3CII
室温平衡组织为 P+ Fe3CII
第4章 铁碳合金相图与碳钢
4.1 铁碳合金中的组元、基本相和组织
4.2 铁碳合金相图及其分析
4.3 铁碳合金成分、组织与性能关系及应用 4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
4.5 碳钢
第4章 铁碳合金相图与碳钢
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。
碳钢：含碳量为0.0218% ~2.11%
室温平衡组织为 Le'(P+ Fe3C)
4.2
铁碳合金相图及其分析
亚共晶白口铸铁的结晶过程
碳质量分数为3%为例 1～2点 L+A。
2～2'点 L→Le, 共晶反应结束 时:A+Le 2'～3点 A晶界析出Fe3CII 组织为 A+Fe3CII+Le 3～3'点 A→P; 高温莱氏体Le转 变为低温莱氏体Le' 3'～4点 P+Fe3CII+Le'